DE112014006118T5 - Speculative prefetching of data stored in a flash memory - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren für Datenspeicherung schließt ein Festhalten einer Definition eines Modus spekulativen Auslesens zum Auslesen in einer Datenspeichervorrichtung ein, in dem von der Datenspeichervorrichtung angefordert wird, eine Dateneinheit mit einer Dateneinheitgröße zu lesen, und als Reaktion die Datenspeichervorrichtung eine Datenspeicherseite abruft, welche die Dateneinheit enthält und eine größere Datenspeicherseitengröße als die Dateneinheitgröße besitzt, und die Datenspeicherseite in Vorbereitung für nachfolgende Anforderungen aufbewahrt. Eine Aktivierung des Modus spekulativen Auslesens wird koordiniert. Ein Auslesebefehl wird unter Verwendung des Modus spekulativen Auslesens ausgeführt.A method for data storage includes adhering to a definition of a speculative read-out mode for reading in a data storage device in which the data storage device requests to read a data unit having a data unit size, and in response the data storage device retrieves a data storage page containing the data unit and has a larger data storage page size than the data unit size, and keeps the data storage page in preparation for subsequent requests. Activation of the speculative readout mode is coordinated. A read command is executed using the speculative readout mode.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Datenspeicherung und insbesondere Verfahren und Systeme zum Vorab-Holen (prefetching) von in nichtflüchtigem Speicher gespeicherten Daten.The present invention relates generally to data storage, and more particularly to methods and systems for prefetching data stored in nonvolatile memory.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Manche Rechensysteme verwenden Techniken für virtuellen Speicher (Virtual Memory (VM)), die einen schnellen, aber kleinen, flüchtigen Speicher und einen großen, aber langsameren, nichtflüchtigen Speicher verwenden. Zum Beispiel umfasst in manchen mobilen Rechen- und Kommunikationsvorrichtungen das Vorrichtungsbetriebssystem (Operating System (OS)) ein VM-Modul, das den Speicher mit wahlfreiem Zugriff (Random Access Memory (RAM)) der Vorrichtung mit einem Halbleiterlaufwerk (Solid State Drive (SSD)) gemeinsam betreibt.Some computing systems use virtual memory (VM) techniques that use fast, but small, volatile memory and large, but slower, non-volatile memory. For example, in some mobile computing and communication devices, the operating system (OS) includes a VM module that mounts the random access memory (RAM) of the device with a solid state drive (SSD). ) operates together.

Verschiedene Verfahren zum Verwenden von VM sind im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 8 429 377 , dessen Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird, ein System und ein Verfahren zum Zugreifen auf einen Speicher. Das System umfasst eine Prozessorvorrichtung, die eine Anforderung nach einer Speicherseite an einer virtuellen Adresse ausgibt, und einen Nachschlagepuffer zum Speichern einer oder mehrerer Seitentabelleneinträge, wobei jeder der Seitentabelleneinträge mindestens eine virtuelle Seitennummer und eine physische Seitennummer umfasst. Das System umfasst ferner eine Logikschaltung, die von dem Prozessor eine virtuelle Adresse empfängt und die virtuelle Adresse mit der virtuellen Seitennummer in einem bestimmten der Seitentabelleneinträge vergleicht, um die physische Seitennummer im selben Seitentabelleneintrag auszuwählen. Der Seitentabelleneintrag umfasst ein oder mehrere Bits, die so gesetzt sind, dass sie einen Speicherbereich aus einer Seite ausschließen.Various methods of using VM are known in the art. For example, that describes U.S. Patent 8,429,377 , the disclosure of which is incorporated herein by reference, a system and method for accessing a memory. The system includes a processor device that issues a request for a memory page at a virtual address, and a lookup buffer for storing one or more page table entries, wherein each of the page table entries includes at least one virtual page number and a physical page number. The system further includes a logic circuit that receives a virtual address from the processor and compares the virtual address to the virtual page number in a particular one of the page table entries to select the physical page number in the same page table entry. The page table entry includes one or more bits that are set to exclude a memory area from a page.

In „Key-Study to Execute Code Using Demand Paging and NAND Flash at Smart Card Scale”, Smart Card Research and Advanced Application, Proceedings of the 9th IFIP WG 8.8/11.2 International Conference, CARDIS 2010, Passau, Deutschland, April 2010, Seiten 102 bis 117, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird, erläutern Geoffroy et al. Einschränkungen, die ein Einbetten von mehreren Anwendungen in so kleine Systeme wie Smart Cards oder Sensoren mit sich bringt. Physische Einschränkungen dieser Systeme, wie beispielsweise ein sehr kleiner Hauptspeicher, und deren Produktionskosten machen dies schwierig zu erreichen. Eine bestimmte, in der Studie vorgeschlagene Lösung liegt darin, Code aus einem billigeren, dichteren, aber langsameren Sekundärspeicher, wie beispielsweise einem NAND-Flash, auszuführen.IFIP WG 8.8 / 11.2 International Conference, CARDIS 2010, Passau, Germany, April 2010, pages: "Key-Study to Execute Code Using Demand Paging and NAND Flash at Smart Card Scale", Smart Card Research and Advanced Application 102 to 117, which is incorporated herein by reference, Geoffroy et al. Limitations that embedding multiple applications into such small systems as smart cards or sensors. Physical limitations of these systems, such as a very small main memory, and their production costs make this difficult to achieve. One particular solution proposed in the study is to execute code from a cheaper, denser but slower secondary storage, such as a NAND flash.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das ein Festhalten einer Definition eines Modus spekulativen Auslesens zum Auslesen in einer Datenspeichervorrichtung einschließt, in dem von der Datenspeichervorrichtung angefordert wird, eine Dateneinheit mit einer Dateneinheitgröße zu lesen, und als Reaktion die Datenspeichervorrichtung eine Datenspeicherseite abruft, welche die Dateneinheit enthält und eine größere Datenspeicherseitengröße als die Dateneinheitgröße besitzt, und die Datenspeicherseite in Vorbereitung für nachfolgende Anforderungen aufbewahrt. Eine Aktivierung des Modus spekulativen Auslesens wird koordiniert. Ein Auslesebefehl wird unter Verwendung des Modus spekulativen Auslesens ausgeführt.An embodiment of the present invention provides a method that includes adhering to a definition of a speculative read-out mode for reading in a data storage device by requesting the data storage device to read a data unit having a data unit size and, in response, the data storage device retrieving a data storage page containing the data unit and having a larger data storage page size than the data unit size, and storing the data storage page in preparation for subsequent requests. Activation of the speculative readout mode is coordinated. A read command is executed using the speculative readout mode.

In manchen Ausführungsformen schließt das Koordinieren der Aktivierung ein Empfangen eines Befehls, eine einzelne Dateneinheit auszulesen, in der Datenspeichervorrichtung ein, und das Ausführen des Auslesebefehls schließt ein Lesen der einzelnen Dateneinheit aus der aufbewahrten Datenspeicherseite ein. In weiteren Ausführungsformen schließt das Ausführen des Auslesebefehls bei Erfassen, dass sich die einzelne Dateneinheit nicht in der aufbewahrten Datenspeicherseite befindet, ein Berichten eines Fehlerereignisses ein. In noch weiteren Ausführungsformen schließt das Ausführen des Auslesebefehls ferner ein Verwerfen der aufbewahrten Datenspeicherseite ein, nachdem alle Dateneinheiten in der aufbewahrten Datenspeicherseite angefordert wurden.In some embodiments, coordinating the activation includes receiving an instruction to read a single data unit in the data storage device, and executing the read command includes reading the individual data unit from the stored data storage page. In other embodiments, executing the read-out command upon detecting that the single data unit is not in the retained data storage page includes reporting an error event. In still other embodiments, executing the read command further includes discarding the retained data storage page after all data units in the stored data storage page have been requested.

In einer Ausführungsform schließt das Ausführen des Auslesebefehls ein Empfangen einer Anforderung, eine gegebene Dateneinheit in der aufbewahrten Datenspeicherseite zu lesen, und ein Ausgeben der gegebenen Dateneinheit und aller darauf folgenden Dateneinheiten aus der aufbewahrten Datenspeicherseite in der Datenspeichervorrichtung ein. In noch einer weiteren Ausführungsform schließt das Koordinieren der Aktivierung ein Berichten der Datenspeicherseitengröße aus der Datenspeichervorrichtung ein. In noch einer weiteren Ausführungsform schließt das Verfahren ferner ein Empfangen eines Schreibbefehls zum Speichern von Daten, deren Größe gleich der Datenspeicherseitengröße ist, und ein Speichern der Daten auf eine Seitengrenze der Datenspeichervorrichtung ausgerichtet in der Datenspeichervorrichtung ein.In one embodiment, executing the read command includes receiving a request to read a given data unit in the stored data storage page, and outputting the given data unit and all subsequent data units from the retained data storage page in the data storage device. In yet another embodiment, coordinating the activation includes reporting the data storage page size from the data storage device. In yet another embodiment, the method further includes receiving a write command to store data sized equal to the data storage page size and storing the data to a page boundary of the data storage device aligned in the data storage device.

Zusätzlich wird gemäß einer Datenspeichervorrichtung, die einen nichtflüchtigen Speicher und einen Prozessor einschließt, bereitgestellt. Der Prozessor ist konfiguriert, eine Definition eines Modus spekulativen Auslesens festzuhalten, in dem von der Datenspeichervorrichtung angefordert wird, eine Dateneinheit mit einer Dateneinheitgröße zu lesen, und als Reaktion die Datenspeichereinheit aus dem nichtflüchtigen Speicher eine Datenspeicherseite abruft, welche die Dateneinheit enthält und eine größere Datenspeicherseitengröße als die Dateneinheitgröße besitzt, und die Datenspeicherseite in Vorbereitung für nachfolgende Anforderungen aufbewahrt, um eine Aktivierung des Modus spekulativen Auslesens zu koordinieren, und um unter Verwendung des Modus spekulativen Auslesens einen Auslesebefehl auszuführen.In addition, according to a data storage device including a non-volatile memory and a processor is provided. Of the The processor is configured to capture a definition of a speculative read mode in which the data storage device requests to read a data unit having a data unit size, and in response the data storage unit retrieves from the nonvolatile memory a data storage page containing the data unit and having a larger data storage page size than has the data unit size, and keeps the data storage page in preparation for subsequent requests to coordinate activation of the speculative readout mode, and to execute a read-out command using the speculative readout mode.

Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen davon in Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verständlich, in denen: The present invention will become more fully understood from the following detailed description of the embodiments thereof, taken in conjunction with the drawings, in which:

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ein Blockdiagramm zeigt, das schematisch ein Datenspeichersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; 1 Fig. 12 is a block diagram schematically illustrating a data storage system according to an embodiment of the present invention;

2 bis 4 Diagramme zeigen, die schematisch ein Datenzwischenspeichern und -lesen als Teil eines spekulativen Vorab-Holens veranschaulichen; 2 to 4 Show diagrams schematically illustrating data caching and reading as part of speculative prefetching;

5 einen Ablaufplan zeigt, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch ein Verfahren zum spekulativen Vorab-Holen von Daten veranschaulicht, indem die Daten auf Seitengrenzen ausgerichtet gespeichert werden; und 5 Figure 5 is a flowchart schematically illustrating a method for speculative prefetching of data by storing the data aligned on page boundaries according to an embodiment of the present invention; and

6 einen Ablaufplan zeigt, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch ein Verfahren zum Verringern der Startdauer von Anwendungen veranschaulicht. 6 FIG. 10 is a flowchart schematically illustrating a method for reducing the startup duration of applications in accordance with an embodiment of the present invention. FIG.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Überblickoverview

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die hierin beschrieben sind, stellen verbesserte Verfahren und Systeme zum Betrieb von virtuellem Speicher (VM) bereit. In vielen Datenspeichersystemen ist der Platz, den ein Betriebssystem (OS) für einen gegebenen Prozess im flüchtigen Speicher des Hosts (hierein als „lokaler Speicher” bezeichnet) alloziert, nicht ausreichend, um den gesamten Code und die gesamten Daten des Prozesses zu beinhalten. Dieses Szenario kann zum Beispiel auftreten, wenn der Gesamtdatenspeicherplatz des lokalen Speichers kleiner ist als der Platz, den der Prozess erfordert, oder wenn das OS mehrere Prozesse gleichzeitig ausführt.Embodiments of the present invention described herein provide improved methods and systems for virtual memory (VM) operation. In many data storage systems, the space that an operating system (OS) allocates for a given process in the volatile memory of the host (hereafter referred to as "local memory") is not sufficient to contain all the code and data of the process. For example, this scenario may occur if the total local memory space is less than the space that the process requires, or if the OS is running multiple processes at the same time.

In manchen Ausführungsformen umfasst das OS ein Subsystem eines virtuellen Speichers (VM), das den Speicher für Prozesse verwaltet, die im lokalen Speicher ausgeführt werden. In den hierin beschriebenen Ausführungsformen verwaltet der VM den lokalen Speicher und einen großen nichtflüchtigen Speicher, wie beispielsweise ein Flashgestütztes Halbleiterlaufwerk (SSD). Der VM ermöglicht es einem Prozess, einen Speicherplatz zu verwenden, der größer ist als der für diesen Prozess durch das OS allozierte Platz. Gelegentlich kann der Prozess versuchen, auf Daten zuzugreifen, die derzeit lokal nicht verfügbar sind. Solch ein Ereignis wird als Seitenfehlerereignis bezeichnet. Der VM reagiert typischerweise auf Seitenfehler, indem die fraglichen Daten aus dem SSD geholt werden.In some embodiments, the OS includes a virtual memory subsystem (VM) that manages the memory for processes executing in local memory. In the embodiments described herein, the VM manages the local memory and a large nonvolatile memory, such as a Flash Driven Solid State Drive (SSD). The VM allows a process to use a storage space that is larger than the space allocated for that process by the OS. Occasionally, the process may attempt to access data that is currently unavailable locally. Such an event is called a page fault event. The VM typically responds to page faults by fetching the data in question from the SSD.

Der VM greift auf Daten im SSD in Einheiten zu, die hierin als Datenblöcke (data chunks) oder Dateneinheiten bezeichnet werden. Bei Erfassen (oder Empfangen einer Angabe) eines Seitenfehlers holt der VM die entsprechenden fehlenden Daten aus dem SSD, indem der Datenblock angefordert wird, zu dem die fehlenden Daten gehören (auch als der fehlende Block bezeichnet). Um die Zugriffsrate auf fehlende Daten zu verbessern, kann in manchen Ausführungsformen der VM konfiguriert sein, zusätzlich zum fehlenden Block einen oder mehrere darauf folgende Datenblöcke zu holen. Dieser Betriebsmodus wird als spekulatives Vorab-Holen bezeichnet. Spekulatives Vorab-Holen in SSD-gestützten Datenspeichersystemen kann jedoch problematisch sein, wie nachstehend weiter beschrieben.The VM accesses data in the SSD in units, referred to herein as data chunks or data units. Upon detecting (or receiving an indication of) a page fault, the VM retrieves the corresponding missing data from the SSD by requesting the block of data to which the missing data belongs (also referred to as the missing block). In order to improve the access rate to missing data, in some embodiments the VM may be configured to fetch one or more subsequent data blocks in addition to the missing block. This mode of operation is referred to as speculative prefetching. However, speculative prefetching in SSD-based data storage systems can be problematic, as further described below.

Typischerweise umfasst das OS ferner ein Dateisystem(File System (FS))-Subsystem, das die Speicherung von Daten (z. B. Benutzer- oder andere Daten) in logischen Strukturen, wie beispielsweise Dateien und Verzeichnissen, verwaltet. Das FS speichert Dateien im SSD. Ein Computerprogramm kann eine oder mehrere Dateien ausführen oder anderweitig verwenden. Zum Beispiel kann ein Anwendungsprogramm auf eine große Anzahl kleiner Dateien zugreifen, wie beispielsweise ausführbare und Multimediadateien. Bei Ausführen einer Anwendung lädt das FS zuerst die entsprechenden Anwendungsdateien aus dem SSD in den lokalen Speicher hoch, und der Host führt dann die Anwendung aus dem lokalen Speicher aus. Der Prozess des Hochladens der Dateien einer Anwendung wird als Anwendungsstart bezeichnet. Da die Anwendungsdateien vor dem Ausführen hochgeladen werden sollten, führt eine kürzere Anwendungsstartdauer zu einer besseren Benutzererfahrung.Typically, the OS further includes a File System (FS) subsystem that manages the storage of data (eg, user or other data) in logical structures such as files and directories. The FS stores files in the SSD. A computer program can execute or otherwise use one or more files. For example, an application program may access a large number of small files, such as executable and multimedia files. When an application is run, the FS first uploads the appropriate application files from the SSD to local storage, and the host then runs the application from local storage. The process of uploading the files of an application is called application startup. Since the application files should be uploaded before running, a shorter application startup time will result in a better user experience.

Im Host verwalten das VM- und das FS-Subsystem des OS typischerweise den Speicher in einem kontinuierlichen Raum logischer Adressen. Das SSD umfasst typischerweise eine SSD-Steuereinheit (SSD controller), die den Speicher in physischen Adressen der Flash-Speicher verwaltet. Logische Adressen entsprechen physischen Adressen von Datenblöcken in den Flash-Speichern. Die SSD-Steuereinheit unterhält typischerweise eine Übersetzungstabelle zwischen logischen und physischen Adressen. In the host, the OS VM and FS subsystems typically manage the memory in a continuous logical address space. The SSD typically includes an SSD controller (SSD controller) that manages the memory in physical addresses of the flash memory. Logical addresses correspond to physical addresses of data blocks in the flash memories. The SSD controller typically maintains a translation table between logical and physical addresses.

Die SSD-Steuereinheit speichert Daten im SSD in Einheiten, die als Datenspeicherseiten oder der Kürze wegen einfach als Seiten bezeichnet werden. In manchen Fällen ist der VM (oder das FS) konfiguriert, Datenblöcke zu holen, die kleiner als die Seitengröße des SSD sind. In anderen Worten umfasst eine Seite im SSD typischerweise mehrere Datenblöcke, von denen der VM jeweils eine anfordern kann. Wie nachstehend beschrieben, kann diese Größenabweichung zwischen Datenspeicherseiten und Datenblöcken potenzielle Vorteile des spekulativen Vorab-Holens zunichtemachen.The SSD controller stores data in the SSD in units that are referred to simply as pages for data storage pages or for brevity. In some cases, the VM (or FS) is configured to fetch data blocks smaller than the page size of the SSD. In other words, a page in the SSD typically includes multiple data blocks, of which the VM can request one each. As described below, this size variance between data storage pages and data blocks can negate potential benefits of speculative prefetching.

In manchen Ausführungsformen liest das OS Daten in Einheiten, die hierin als Blöcke oder Segmente bezeichnet werden. Die Blockgröße kann zum Beispiel 512 Byte oder 4 Kilobyte (KB) betragen. Daten im SSD werden andererseits in Datenspeicherseiten, deren Größe typischerweise größer als die Blockgröße ist, in die Flash-Speicher geschrieben und aus ihnen abgerufen. Zu Beispielseitengrößen zählen 8 KB, 16 KB und 32 KB.In some embodiments, the OS reads data in units, referred to herein as blocks or segments. The block size may be 512 bytes or 4 kilobytes (KB), for example. On the other hand, data in the SSD is written to and retrieved from flash memory in data storage pages whose size is typically larger than the block size. Example page sizes include 8 KB, 16 KB, and 32 KB.

In einer Ausführungsform fordert der VM als Reaktion auf ein Seitenfehlerereignis den entsprechenden fehlenden Block (d. h. den Block, zu dem die fehlenden Daten gehören, die den Seitenfehler erzeugt haben) aus dem SSD an. Im Prinzip kann der VM ein spekulatives Vorab-Holen durchführen, indem zusätzlich zum fehlenden Block ein oder mehrere darauf folgende Blöcke angefordert werden. Diese Vorab-Hol-Operation würde jedoch die Rate eines Zugreifens auf fehlende Daten nicht verbessern, da das SSD für jede Blockanforderung eine gesamte Seite abruft, selbst wenn der VM mehrere Blöcke innerhalb derselben Seite anfordert. Darüber hinaus verursachen solche redundanten Operationen von Seitenabrufen einen erhöhten Energieverbrauch, der die Batterie- oder Akkulebensdauer des Systems verkürzt.In one embodiment, in response to a page fault event, the VM requests the corresponding missing block (i.e., the block that includes the missing data that generated the page fault) from the SSD. In principle, the VM can perform speculative prefetching by requesting one or more subsequent blocks in addition to the missing block. However, this pre-fetch operation would not improve the rate of accessing missing data because the SSD will fetch an entire page for each block request, even if the VM requests multiple blocks within the same page. In addition, such redundant page fetch operations cause increased power consumption, which shortens the battery or battery life of the system.

Wenn bei den offenbarten Techniken der VM einen fehlenden Block anfordert, wird die Seite, die diesen Block enthält, abgerufen und im SSD zwischengespeichert (cached). Wenn der VM dann einen oder mehrere Blöcke anfordert, die bereits zwischengespeichert sind (z. B. bei Durchführen von spekulativem Vorab-Holen), werden diese Blöcke aus der zwischengespeicherten Seite ausgelesen, ohne ein unnötiges erneutes Lesen der entsprechenden Seite aus dem SSD zu erzeugen.In the disclosed techniques, if the VM requests a missing block, the page containing that block is retrieved and cached in the SSD. If the VM then requests one or more blocks that are already cached (e.g., when performing speculative prefetching), those blocks are flushed from the cached page without creating an unnecessary re-read of the corresponding page from the SSD ,

In der Beschreibung, die folgt, nehmen wir einen zugrunde liegenden SSD-Datenspeicher, der eine SSD-Steuereinheit umfasst, und einen flüchtigen Zwischenspeicher an. Der Klarheit willen wird der nichtflüchtige Speicher des SSD als „Flash-Speicher” bezeichnet, sofern nicht anderweitig angegeben. Der Flash-Speicher kann jede geeignete Anzahl individueller Flash-Vorrichtungen umfassen.In the description that follows, we assume an underlying SSD data store that includes an SSD controller and a volatile cache. For the sake of clarity, the nonvolatile memory of the SSD is referred to as "flash memory" unless otherwise specified. The flash memory may include any suitable number of individual flash devices.

In einer Ausführungsform gibt der Host-VM dem SSD eine Anforderung zum Abrufen eines fehlenden Blocks aus und gibt der SSD-Steuereinheit zusätzlich eine spekulative Vorab-Hol-Operation an. Die SSD-Steuereinheit ruft die Seite, zu welcher der angeforderte Block gehört, aus dem Flash-Speicher ab und speichert die Seite im Zwischenspeicher zwischen. Die SSD-Steuereinheit liefert den angeforderten Block an den Host und bewahrt die zwischengespeicherte Seite auf, bis der VM alle anderen Blöcke der zwischengespeicherten Seite anfordert.In one embodiment, the host VM issues a request to the SSD to fetch a missing block and additionally issues a speculative prefetch operation to the SSD controller. The SSD controller retrieves the page to which the requested block belongs from the flash memory and caches the page. The SSD controller provides the requested block to the host and retains the cached page until the VM requests all other blocks of the cached page.

In einer Ausführungsform liest der VM Blöcke, die Teil einer Seite sind, die bereits im SSD zwischengespeichert ist, ab, indem die SSD-Steuereinheit angewiesen wird, jeden solchen Block aus der zwischengespeicherten Seite zu lesen, ohne die gesamte Seite erneut aus dem Flash-Speicher zu lesen. Wenn der VM einen zwischengespeicherten Block anfordert, sich der angeforderte Block jedoch nicht in der zwischengespeicherten Seite befindet, gibt die SSD-Steuereinheit dem VM eine entsprechende Fehlerangabe aus. Der VM kann dann diesen Block mit oder ohne Zwischenspeichern der entsprechenden Seite lesen. Ein Lesen eines zwischengespeicherten Blocks ist schneller als ein Lesen des Blocks aus dem Flash-Speicher.In one embodiment, the VM reads blocks that are part of a page that is already cached in the SSD by instructing the SSD controller to read each such block from the cached page without rescanning the entire page from the flash memory. Memory to read. However, if the VM requests a cached block, but the requested block is not in the cached page, the SSD controller issues the VM with a corresponding error indication. The VM can then read this block with or without caching the corresponding page. Reading a cached block is faster than reading the block from the flash memory.

In manchen Ausführungsformen führt der VM spekulatives Vorab-Holen durch, indem ein fehlender Block angefordert wird und zusätzlich das SSD über die spekulative Vorab-Hol-Operation benachrichtigt wird. Das SSD ruft die Seite, zu welcher der angeforderte Block gehört, aus dem Flash-Speicher ab, speichert die Seite zwischen und gibt den angeforderten Block sowie alle darauf folgenden Blöcke in der zwischengespeicherten Seite an den Host aus.In some embodiments, the VM performs speculative prefetching by requesting a missing block and additionally notifying the SSD via the speculative prefetching operation. The SSD retrieves the page to which the requested block belongs from flash memory, caches the page, and outputs the requested block and all subsequent blocks in the cached page to the host.

Spekulatives Vorab-Holen kann im Prinzip effizienter sein, wenn eine einzige VM-Anforderung die SSD-Steuereinheit veranlasst, Blöcke mit Ausrichtung zu Seitengrenzen abzurufen. Der VM besitzt jedoch keine explizite Kenntnis der Position einzelner Blöcke in der Seite, und daher kann der VM nicht explizit Blöcke anfordern, die zu Seitengrenzen ausgerichtet sind.In principle, speculative prefetching may be more efficient if a single VM request causes the SSD controller to fetch blocks with page boundary alignment. However, the VM has no explicit knowledge of the location of individual blocks in the page, and therefore the VM can not explicitly request blocks that are aligned to page boundaries.

In einer Ausführungsform berichtet die SSD-Steuereinheit dem VM die im Flash-Speicher verwendete Seitengröße. Der VM speichert dann Daten in Einheiten mit der empfangenen Seitengröße, während zusätzlich die SSD-Steuereinheit angewiesen wird, jede solche Einheit mit Ausrichtung zu Seitengrenzen im Flash-Speicher zu speichern. Wenn der VM später die entsprechenden gespeicherten Daten liest, führt der VM ein spekulatives Vorab-Holen wie vorstehend beschrieben durch, indem der erste Block in einer Seite abgerufen wird, und als Reaktion auf die Anforderung nach spekulativem Vorab-Holen liest das SSD die Seite, zu welcher der erste Block gehört, und speichert sie zwischen und liefert die gesamte Seite an den Host. In one embodiment, the SSD controller reports to the VM the page size used in the flash memory. The VM then stores data in units with the received page size, while additionally instructing the SSD controller to store each such page aligned alignment device in the flash memory. When the VM later reads the corresponding stored data, the VM performs speculative prefetching as described above by fetching the first block in a page, and in response to the request for speculative prefetching, the SSD reads the page, to which the first block belongs, and store it between and deliver the entire page to the host.

Bei Starten einer Anwendung kann es vorteilhaft sein, ein spekulatives Vorab-Holen durchzuführen, um die Startdauer zu verringern, wenn zum Beispiel die Anwendungsdateien aufeinander folgend im Flash-Speicher gespeichert sind. Bei Hochladen jeder der Anwendungsdateien ist sich das FS jedoch nicht bewusst, dass die Dateien einem Anwendungsprogramm gemeinsam sind, und besitzt keine explizite Angabe, bei Hochladen dieser Dateien in einen Modus spekulativen Vorab-Holens zu wechseln. In einer Ausführungsform gibt das OS dem FS an, wenn ein Anwendungsstart initiiert wird. Als Reaktion wechselt das FS dann zu einem Lesen der entsprechenden Anwendungsdateien im Modus spekulativen Vorab-Holens.When launching an application, it may be advantageous to do a speculative prefetch to reduce startup duration, for example, if the application files are sequentially stored in flash memory. However, when uploading any of the application files, the FS is unaware that the files are common to an application program and has no explicit indication to switch to a speculative prefetch mode when uploading these files. In one embodiment, the OS indicates the FS when an application start is initiated. In response, the FS then switches to reading the appropriate application files in speculative prefetching mode.

In manchen Ausführungsformen gibt das OS der SSD-Steuereinheit an, wenn ein Anwendungsstart begonnen und beendet wird. Als Reaktion überwacht das SSD die logischen und entsprechenden physischen Adressen der hochgeladenen Dateien der gestarteten Anwendung. Die SSD-Steuereinheit ordnet dann die Anwendungsdateien aufeinander folgend in einem zusammenhängenden Bereich physischer Adressen im Flash-Speicher neu, um ein nachfolgendes effizientes Starten derselben Anwendung unter Verwendung von spekulativem Vorab-Holen zu ermöglichen.In some embodiments, the OS indicates the SSD controller when an application startup is started and terminated. In response, the SSD monitors the logical and corresponding physical addresses of the uploaded files of the launched application. The SSD controller then reorders the application files sequentially in a contiguous range of physical addresses in the flash memory to allow for subsequent efficient launching of the same application using speculative prefetching.

In alternativen Ausführungsformen gibt das OS dem FS (anstelle des SSD) an, wann immer das OS einen Anwendungsstart initiiert und beendet. Das FS speichert die logischen Adressen der hochgeladenen Anwendungsdateien und sendet die festgehaltenen Adressen unter Verwendung eines dedizierten Defragmentierungsbefehls an die SSD-Steuereinheit. Die SSD-Steuereinheit ordnet dann die Anwendungsdateien aufeinander folgend im Flash-Speicher neu und aktualisiert die Adressenübersetzungstabelle dementsprechend.In alternative embodiments, the OS indicates the FS (instead of the SSD) whenever the OS initiates and terminates an application launch. The FS stores the logical addresses of the uploaded application files and sends the held addresses to the SSD controller using a dedicated defragmentation command. The SSD controller then reorders the application files sequentially in the flash memory and updates the address translation table accordingly.

Die offenbarten Techniken ermöglichen es, ein spekulatives Vorab-Holen durchzuführen, um die Rate eines Zugreifens auf fehlende Daten bei Erfassen von Seitenfehlerereignissen zu verbessern und um die Dauer eines Startens von Anwendungen zu verringern, während von unnötigen Leseoperationen aus dem Flash-Speicher abgesehen wird. Die offenbarten Techniken verbessern somit Leselatenzzeiten, Energieverbrauch und Batterie- oder Akkulebensdauer des Systems.The disclosed techniques make it possible to perform speculative prefetching to improve the rate of accessing missing data in detecting page fault events and to reduce the duration of launching applications while ignoring unnecessary read operations from the flash memory. The disclosed techniques thus improve read latency, power consumption and battery or battery life of the system.

Systembeschreibungsystem Description

1 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch ein Speichersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Speichersystem einen Computer 20, der Daten in einem Halbleiterlaufwerk (SSD) 24 speichert. Der Computer 20 kann zum Beispiel einen mobilen Computer, Tablet-Computer oder PC umfassen. Der Computer umfasst eine Zentraleinheit (Central Processing Unit (CPU)) 26, die als Host dient. In der Beschreibung, die folgt, werden die Begriffe CPU und Host austauschbar verwendet. 1 FIG. 12 is a block diagram schematically illustrating a memory system according to an embodiment of the present invention. FIG. In the present example, the storage system includes a computer 20 , the data in a semiconductor drive (SSD) 24 stores. The computer 20 For example, it may include a mobile computer, tablet computer, or personal computer. The computer includes a central processing unit (CPU) 26 that serves as a host. In the description that follows, the terms CPU and host are used interchangeably.

In alternativen Ausführungsformen kann der Host einen beliebigen anderen, geeigneten Prozessor oder eine beliebige andere, geeignete Steuereinheit umfassen, und die Datenspeichervorrichtung kann eine beliebige andere, geeignete Vorrichtung umfassen. Zum Beispiel kann der Host eine Datenspeichersteuereinheit eines Unternehmens-Datenspeichersystems umfassen, und die Datenspeichervorrichtung kann ein SSD oder eine Anordnung (array) von SSDs umfassen. Weitere Beispiele von Hosts, die Daten in nichtflüchtigen Datenspeichervorrichtungen speichern, umfassen Mobiltelefone, Digitalkameras, Medienwiedergabevorrichtungen und Wechselkarten oder -vorrichtungen.In alternative embodiments, the host may comprise any other suitable processor or any other suitable control unit, and the data storage device may comprise any other suitable device. For example, the host may include a data storage controller of a corporate data storage system, and the data storage device may include an SSD or an array of SSDs. Other examples of hosts that store data in nonvolatile data storage devices include mobile phones, digital cameras, media players, and changeover cards or devices.

In einer Ausführungsform führt die CPU 26 ein Betriebssystem (OS) 27 aus, das die verschiedenen Aufgaben des Computers 20 abwickelt. Das OS umfasst ferner ein Dateisystem (FS) 28 und ein Subsystem eines virtuellen Speichers (VM) 29. Das FS 28 wickelt die Organisation von Benutzerdaten (und anderen Daten) in logischen Strukturen, wie beispielsweise Verzeichnissen und Dateien, ab. Der VM 29 verwaltet den Speicher für Prozesse, die das FS in einen flüchtigen Host-Speicher 32 hochlädt und die das OS daraus ausführt. Der Speicher 32 wird auch als ein lokaler Speicher bezeichnet. Der Speicher 32 kann jeden geeigneten Typ von flüchtigem Speicher umfassen, wie zum Beispiel DDR, DDR2, DDR3, DDR3L, SDRAM oder RDRAM. In einer typischen Anwendung besitzt der Speicher 32 eine Größe zwischen 1 GB und 32 GB, obwohl auch jede andere geeignete Größe verwendet werden kann.In one embodiment, the CPU performs 26 an operating system (OS) 27 from that the different tasks of the computer 20 unwinds. The OS also includes a file system (FS) 28 and a Virtual Memory Subsystem (VM) 29 , The FS 28 handles the organization of user data (and other data) in logical structures, such as directories and files. The VM 29 manages the memory for processes that put the FS into a volatile host memory 32 uploads and executes the OS from it. The memory 32 is also referred to as a local store. The memory 32 may include any suitable type of volatile memory, such as DDR, DDR2, DDR3, DDR3L, SDRAM or RDRAM. In a typical application, the memory has 32 a size between 1 GB and 32 GB, although any other suitable size can be used.

Das SSD 24 speichert Daten für die CPU 26 in einem nichtflüchtigen Speicher, im vorliegenden Beispiel in einem oder mehreren Flash-Speichervorrichtungen 34. In alternativen Ausführungsformen kann der nichtflüchtige Speicher im SSD 24 einen beliebigen anderen geeigneten Typ von nichtflüchtigem Speicher umfassen, wie beispielsweise NOR-Flash, „Charge Trap Flash” (CTF), Phasenwechsel-RAM (Phase Change RAM (PRAM)), magnetoresistiven RAM (Magnetoresistive RAM (MRAM)) oder ferroelektrischen RAM (Ferroelectric RAM (FeRAM)).The SSD 24 stores data for the CPU 26 in a nonvolatile memory, in this example in one or more flash memory storage devices 34 , In alternative embodiments, the nonvolatile memory may be in the SSD 24 any other suitable type of nonvolatile memory, such as NOR Flash, Charge Trap Flash (CTF), Phase Change RAM (PRAM), Magnetoresistive RAM (MRAM), or Ferroelectric RAM ( Ferroelectric RAM (FeRAM)).

Eine SSD-Steuereinheit 30 führt die verschiedenen Datenspeicher- und Verwaltungsaufgaben des SSD durch. Die SSD-Steuereinheit wird allgemein auch als eine Speichersteuereinheit bezeichnet. Die SSD-Steuereinheit 30 umfasst eine Host-Schnittstelle 38 zum Kommunizieren mit der CPU 26, eine Speicherschnittstelle 46 zum Kommunizieren mit den Flash-Vorrichtungen 34 und einen Prozessor 42, der die verschiedenen Verarbeitungsaufgaben des SSD ausführt.An SSD control unit 30 performs the various data storage and management tasks of the SSD. The SSD controller is also commonly referred to as a memory controller. The SSD control unit 30 includes a host interface 38 to communicate with the CPU 26 , a storage interface 46 to communicate with the flash devices 34 and a processor 42 performing the various processing tasks of the SSD.

Das SSD 24 umfasst einen flüchtigen Speicher, im vorliegenden Beispiel einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 50. In der Ausführungsform von 1 ist der RAM 50 als Teil der SSD-Steuereinheit 30 gezeigt, obwohl der RAM alternativ dazu von der SSD-Steuereinheit getrennt sein kann. Der RAM 50 kann zum Beispiel einen statischen RAM (Static RAM (SRAM)), einen dynamischen RAM (Dynamic RAM (DRAN)), eine Kombination der zwei RAM-Typen oder jeden anderen geeigneten Typ von flüchtigem Speicher umfassen. Der RAM 50 kann zum Zwischenspeichern von aus den Flash-Vorrichtungen 34 gelesenen Daten verwendet werden, bevor die Daten oder Teile davon an die CPU 26 oder an den Host-Speicher 32 geliefert werden. Wie nachstehend beschrieben, speichert der RAM 50 in manchen Ausführungsformen eine Datenseite zwischen, von der auf Anforderung ein oder mehrere Datenblöcke an die CPU 26 geliefert werden.The SSD 24 includes a volatile memory, in the present example a random access memory (RAM) 50 , In the embodiment of 1 is the RAM 50 as part of the SSD control unit 30 although the RAM may alternatively be disconnected from the SSD controller. The RAM 50 For example, static RAM (Static RAM (SRAM)), Dynamic RAM (DRAM), a combination of the two types of RAM, or any other suitable type of volatile memory may be included. The RAM 50 can be used for caching from the flash devices 34 read data are used before the data or parts thereof to the CPU 26 or to the host memory 32 to be delivered. As described below, the RAM stores 50 in some embodiments, a data page between, upon request, one or more data blocks to the CPU 26 to be delivered.

Der untere Teil von 1 stellt ein beispielhaftes detailliertes Blockdiagramm der NAND-Flash-Vorrichtung 34 dar. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Vorrichtung 34 eine Lese/Schreib(reading/writing(R/W))-Einheit 70, die Daten zur Speicherung in der Speichervorrichtung in Datenspeicherwerte umwandelt und sie in Speicherzellen (z. B. analoge Speicherzellen) einer Flash-Speicheranordnung 76 schreibt. In alternativen Ausführungsformen führt die R/W-Einheit die Umwandlung nicht durch, sondern wird mit Spannungs-Samples bereitgestellt, d. h. mit den Datenspeicherwerten zur Speicherung in den Zellen. Die R/W-Einheit programmiert typischerweise (obwohl nicht notwendigerweise) die Speicherzellen unter Verwendung eines iterativen Programmier- und Überprüfungsprozesses (Program and Verify (P&V) process), wie er im Stand der Technik bekannt ist. Beim Auslesen von Daten aus der Anordnung 76 wandelt die R/W-Einheit 70 die Datenspeicherwerte der Speicherzellen in digitale Samples mit einer Auflösung von einem oder einem oder mehreren Bits um. Daten werden typischerweise in Gruppen, die als Datenseiten oder einfach als Seiten bezeichnet werden, in die Speicherzellen geschrieben und daraus gelesen. Flash-Vorrichtungen, wie beispielsweise die Vorrichtungen 34, umfassen typischerweise Seiten von 8 KB, 16 KB oder 32 KB. In manchen Ausführungsformen kann die R/W-Einheit eine Gruppe von Zellen in der Speicheranordnung 76, z. B. einen Block, der mehrere Seiten umfasst, löschen, indem die Zellen mit einem oder mehreren negativen Löschimpulsen beaufschlagt werden.The lower part of 1 FIG. 4 illustrates an exemplary detailed block diagram of the NAND flash device. FIG 34 In the present example, the device comprises 34 a read / write (R / W) unit 70 which converts data into data storage values for storage in the memory device and converts them into memory cells (eg, analog memory cells) of a flash memory device 76 writes. In alternative embodiments, the R / W unit does not perform the conversion, but is provided with voltage samples, ie, the data storage values for storage in the cells. The R / W unit typically (though not necessarily) programs the memory cells using an iterative Program and Verify (P & V) process, as known in the art. When reading data from the arrangement 76 converts the R / W unit 70 the data storage values of the memory cells into digital samples with a resolution of one or one or more bits. Data is typically written to and read from the memory cells in groups called data pages or simply pages. Flash devices, such as the devices 34 , typically include 8K, 16K, or 32K pages. In some embodiments, the R / W unit may include a group of cells in the memory array 76 , z. For example, a block containing multiple pages may be erased by exposing the cells to one or more negative erase pulses.

Die Speicheranordnung 76 kann eine „Single-Level Cell”(SLC)-Speicheranordnung, die 1 Bit/Zelle unter Verwendung von zwei Programmierniveaus speichert, oder eine „Multi-Level Cell”(MLC)-Speicheranordnung umfassen, die N Bit/Zelle in 2N Programmierniveaus speichert. Zum Beispiel verwendet eine Vorrichtung mit 2 Bit/Zelle vier Programmierniveaus, und eine Vorrichtung mit 3 Bit/Zelle verwendet acht Programmierniveaus.The memory arrangement 76 For example, a "single-level cell" (SLC) memory device that stores 1 bit / cell using two levels of programming, or a "multi-level cell" (MLC) memory array may include the N bits / cell at 2N programming levels stores. For example, a 2-bit / cell device uses four levels of programming, and a 3-bit / cell device uses eight levels of programming.

Manche Speichervorrichtungen umfassen zwei oder mehr separate Speicherzellenanordnungen, die oft als Ebenen bezeichnet werden. Zum Beispiel kann in einer Vorrichtung mit zwei Ebenen, bei der jede Ebene Seiten von 16 KB umfasst, die SSD-Steuereinheit unter Verwendung von Mehrfachebenenzugriff 32 KB in einer einzigen Leseoperation abrufen.Some memory devices include two or more separate memory cell arrays, often referred to as planes. For example, in a two-level device in which each layer has pages of 16 KB, the SSD controller can retrieve 32 KB in a single read operation using multi-level access.

Der Prozessor 42 der SSD-Steuereinheit 30 unterhält typischerweise eine Logisch-in-physisch-Adressenübersetzung, welche die durch den Host angegebenen Adressen entsprechenden physischen Datenspeicherorten (auch als physische Adressen bezeichnet) in den Flash-Vorrichtungen 34 zuordnet und die Daten an den entsprechenden physischen Datenspeicherorten speichert. Die Logisch-in-physisch-Adressenübersetzung (auch als Virtuell-zu-physisch-Zuordnung (Virtual-to-Physical mapping – V2P) bezeichnet, kann im RAM 50, in den Flash-Vorrichtungen 34 oder in beiden gespeichert werden.The processor 42 the SSD control unit 30 typically maintains a logical-to-physical address translation, which includes the physical data storage locations (also referred to as physical addresses) corresponding to the addresses specified by the host in the flash devices 34 maps and stores the data to the appropriate physical data storage locations. The logical-to-physical address translation (also referred to as virtual-to-physical mapping (V2P) may be in RAM 50 , in the flash devices 34 or stored in both.

Die logischen und entsprechenden physischen Adressen greifen auf Dateneinheiten zu, die hierin als Datenblöcke bezeichnet werden. In manchen Ausführungsformen ist die Größe einer Datenseite größer als die Größe eines Datenblocks. Zum Beispiel kann der VM mit Datenblöcken von 4 KB konfiguriert sein und die Flash-Speicher mit Seiten einer Größe von 16 KB. Typischerweise, obwohl nicht notwendig, umfasst eine Datenseite eine ganze Zahl an Datenblöcken.The logical and corresponding physical addresses access data units, referred to herein as data blocks. In some embodiments, the size of a data page is greater than the size of a data block. For example, the VM can be configured with 4KB data blocks and the flash memory can be configured with 16KB pages. Typically, although not necessary, a data page comprises an integer number of data blocks.

Die SSD-Steuereinheit 30 und insbesondere der Prozessor 42 können in Hardware implementiert sein. Alternativ dazu kann die SSD-Steuereinheit einen Mikroprozessor, der geeignete Software ausführt, oder eine Kombination aus Hardware- und Software-Elementen umfassen.The SSD control unit 30 and especially the processor 42 can be implemented in hardware. Alternatively, the SSD control unit may have a microprocessor containing appropriate software or a combination of hardware and software elements.

Bei der Konfiguration von 1 handelt es sich um eine beispielhafte Konfiguration, die lediglich der konzeptionellen Klarheit willen gezeigt wird. Jede andere geeignete SSD- oder Speichersystemkonfiguration kann ebenso verwendet werden. Elemente, die für das Verständnis der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung nicht notwendig sind, wie beispielsweise verschiedene Schnittstellen, Adressierschaltungen, Zeittaktungs- und Sequenzierschaltungen und Debugging-Schaltungen, wurden zur Klarheit in der Figur weggelassen. In manchen Anwendungen, z. B. Nicht-SSD-Anwendungen, werden die Funktionen der SSD-Steuereinheit 30 durch eine geeignete Speichersteuereinheit ausgeführt.In the configuration of 1 it is an exemplary configuration shown for the sake of conceptual clarity only. Any other suitable SSD or memory system configuration may also be used. Elements that are not necessary for understanding the principles of the present invention, such as various interfaces, addressing circuits, timing and sequencing circuits, and debugging circuits, have been omitted from the figure for clarity. In some applications, eg. Non-SSD applications, for example, are the functions of the SSD controller 30 executed by a suitable memory control unit.

In der in 1 gezeigten beispielhaften Systemkonfiguration sind die Speichervorrichtungen 34 und die SSD-Steuereinheit 30 als separate integrierte Schaltungen (Integrated Circuits (ICs)) implementiert. In alternativen Ausführungsformen können die Speichervorrichtungen und die SSD-Steuereinheit jedoch auf separaten Halbleiterchips in einer einzigen Mehrfachchippackung (Multi-Chip Package (MCP)) oder einem einzigen System auf einem Chip (System an Chip (SoC)) integriert und durch einen internen Bus miteinander verbunden sein. Weiter alternativ dazu kann sich manches der oder die gesamte SSD-Steuereinheit-Schaltlogik auf demselben Bauteil befinden, auf dem eine oder mehrere der Speichervorrichtungen 34 angeordnet sind. Weiter alternativ dazu kann ein Teil der oder die gesamte Funktionalität der SSD-Steuereinheit 30 in Software implementiert sein und durch die CPU 26 oder einen anderen Prozessor in Computer ausgeführt werden. In manchen Ausführungsformen können die CPU 26 und die SSD-Steuereinheit 30 auf demselben Bauteil oder auf separaten Bauteilen im selben Vorrichtungspaket hergestellt werden.In the in 1 The exemplary system configurations shown are the memory devices 34 and the SSD control unit 30 implemented as separate integrated circuits (ICs). However, in alternative embodiments, the memory devices and the SSD controller may be integrated on separate semiconductor chips in a single multi-chip package (MCP) or a single system on a chip (SoC) and interconnected by an internal bus be connected. Still alternatively, some or all of the SSD controller circuitry may reside on the same component on which one or more of the memory devices 34 are arranged. Further alternatively, some or all of the functionality of the SSD controller may be 30 be implemented in software and by the CPU 26 or another processor running in computer. In some embodiments, the CPU 26 and the SSD control unit 30 on the same component or on separate components in the same device package.

In manchen Ausführungsformen umfasst der Prozessor 42 und/oder die CPU 26 einen universellen Prozessor, der in Software programmiert ist, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die Software kann in elektronischer Form, zum Beispiel über ein Netzwerk, auf den Prozessor heruntergeladen werden, oder sie kann alternativ oder zusätzlich dazu auf nichtflüchtigen, gegenständlichen Medien bereitgestellt und/oder gespeichert werden, wie beispielsweise einem magnetischen, optischen oder elektronischen Speicher.In some embodiments, the processor includes 42 and / or the CPU 26 a universal processor programmed in software to perform the functions described herein. The software may be downloaded to the processor in electronic form, for example, over a network, or alternatively or additionally, may be provided and / or stored on non-transmittable, subject-matter media, such as magnetic, optical or electronic storage.

VM-Vorab-Holen in SSD-gestützten DatenspeichersystemenVM prefetching in SSD-based data storage systems

In der Beschreibung, die folgt, nehmen wir an, dass der VM 29 Daten aus den Flash-Speichern 34 in Blöcken oder Segmenten einer festen Größe holt. In manchen Ausführungsformen informiert die SSD-Steuereinheit 30 das OS 27 über die minimale Einheitengröße für eine Datenübertragung über die Host-Schnittstelle 38, d. h. die Blockgröße, wie zum Beispiel 512 Byte oder 4 KB. In der Beschreibung, die folgt, nehmen wir eine Blockgröße von 4 KB an. Alternativ dazu kann jedoch auch jede andere geeignete Blockgröße verwendet werden.In the description that follows, let's assume that the VM 29 Data from the flash memories 34 in blocks or segments of a fixed size. In some embodiments, the SSD controller informs 30 the OS 27 about the minimum unit size for a data transfer via the host interface 38 ie the block size, such as 512 bytes or 4 KB. In the description that follows, assume a block size of 4 KB. Alternatively, however, any other suitable block size may be used.

Wenn ein Softwareprozess oder eine Anwendung, der oder die durch das OS 27 aus dem Host-Speicher 32 ausgeführt wird, auf Daten zugreifen muss, die lokal im Speicher 32 nicht verfügbar sind, tritt ein Seitenfehlerereignis auf. Wenn ein Seitenfehler auftritt, gibt der VM eine oder mehrere E/A-Anforderungen an die SSD-Steuereinheit aus, um die fehlenden Daten aus den entsprechenden Flash-Speichern 34 zu holen. Der Datenblock, zu dem die fehlenden Daten gehören, wird auch als der fehlende Block bezeichnet. Obwohl der VM jeweils nur einen einzigen Block (d. h. den fehlenden Block) holen kann, wird der VM in vielen Fällen bei fortschreitendem Ausführen mit hoher Wahrscheinlichkeit zusätzliche, darauf folgende Datenblöcke holen müssen. Es ist daher typischerweise effizienter, einen kontinuierlichen Bereich mehrerer Blöcke statt nur den fehlenden Block zu holen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung und in den Patentansprüchen bezieht sich der Begriff „spekulatives Vorab-Holen” auf ein Holen eines oder mehrerer zusätzlicher Blöcke auf den fehlenden Block folgend. Beim spekulativen Vorab-Holen können die geholten Blöcke einen oder mehrere Blöcke einschließen, die dem fehlenden Block vorangehen.If a software process or an application running through the OS 27 from the host memory 32 is running, must access data stored locally in memory 32 are not available, a page fault event occurs. If a page fault occurs, the VM issues one or more I / O requests to the SSD controller to retrieve the missing data from the corresponding flash drives 34 pick up. The data block to which the missing data belongs is also referred to as the missing block. Although the VM can fetch only a single block (ie, the missing block) at a time, in many cases the VM, as it progresses, is likely to have to fetch additional, subsequent data blocks. It is therefore typically more efficient to fetch a continuous area of multiple blocks rather than just the missing block. In the context of the present invention and in the claims, the term "speculative prefetching" refers to fetching one or more additional blocks following the missing block. In speculative prefetching, the fetched blocks may include one or more blocks preceding the missing block.

Wie nachstehend demonstriert, kann ein Konfigurieren des VM 29, um im Modus spekulativen Vorab-Holens zu arbeiten, redundante Leseoperationen aus den Flash-Speichern 34 erzeugen, was zu erhöhter Latenzzeit und erhöhtem Energieverbrauch führt. Es wird zum Beispiel angenommen, dass jeder der Flash-Speicher 34 Seiten von 16 KB speichert. Wenn der VM 29 einen einzelnen Datenblock von 4 KB anfordert, sollte die SSD-Steuereinheit die gesamte Seite von 16 KB lesen, zu der dieser Block gehört, und dem Host 26 nur den angeforderten Block liefern. Falls nachfolgende VM-Anforderungen auf andere Seiten zugreifen, werden die anderen drei gelesenen Blöcke (12 KB in diesem Beispiel) nicht verwendet. Wenn darüber hinaus der VM 29 mehrere Blöcke von 4 KB spekulativ vorab anfordert, die sich alle in derselben Seite befinden, erzeugt jede einzelne VM-Anforderung eine separate Leseoperation der gesamten Seite von 16 KB, und für jede solche Leseoperation werden nur 4 KB der Seite von 16 KB an den Host 26 geliefert. Wie zu sehen ist, demonstrieren die vorstehenden Beispiele eine Bandbreitennutzung von nur 25% (4 KB von 16 KB).As demonstrated below, configuring the VM 29 To work in speculative prefetch mode, redundant read operations from the flash memories 34 generate, which leads to increased latency and increased energy consumption. For example, it is assumed that each of the flash memory 34 Sides of 16 KB stores. If the VM 29 requesting a single 4 KB data block, the SSD controller should read the entire 16 KB page to which this block belongs and the host 26 only deliver the requested block. If subsequent VM requests access other pages, the other three blocks read (12 KB in this example) will not be used. In addition, if the VM 29 Specifically pre-fetching multiple blocks of 4 KB all in the same page, each individual VM request generates a separate read of the entire page of 16 KB, and for each such read only 4 KB of the 16 KB page are sent to the host 26 delivered. As can be seen, the above examples demonstrate a bandwidth utilization of only 25% (4 KB of 16 KB).

Die offenbarten Techniken, die nachstehend beschrieben sind, ermöglichen es dem VM, ein spekulatives Vorab-Holen durchzuführen, ohne Bandbreite und Energieverbrauch zu verschwenden. Durch Definieren neuer VM-Operationen kann die SSD-Steuereinheit in den offenbarten Techniken eine Datenseite einmal lesen und zwischenspeichern und die zwischengespeicherten Datenblöcke dieser Seite auf Anforderung an den Host liefern. The disclosed techniques, described below, allow the VM to perform speculative prefetching without wasting bandwidth and power consumption. By defining new VM operations, in the disclosed techniques, the SSD controller may once read and cache a data page and provide the cached data blocks of that page upon request to the host.

Verfahren zum effizienten spekulativen Vorab-HolenMethod for efficient speculative prefetching

2 bis 4 zeigen Diagramme, die schematisch ein Datenzwischenspeichern und -lesen als Teil eines spekulativen Vorab-Holens veranschaulichen. Das in jeder von 2 bis 4 dargestellte Diagramm umfasst drei Spalten. Die äußerste linke und äußerste rechte Spalte betreffen Operationen, die durch den VM 29 bzw. durch die SSD-Steuereinheit 30 durchgeführt werden. In jedem Diagramm stellt die mittlere Spalte eine zwischengespeicherte Seite von 16 KB dar, die vier Datenblöcke von 4 KB umfasst. Jedes Diagramm umfasst ferner mehrere Zeilen, die eine einzelne VM-Operation und eine entsprechende SSD-Steuereinheit-Operation pro Zeile darstellen. Jedes Diagramm stellt somit eine Sequenz von VM-Operationen dar, die mit der Zeit durchgeführt werden. In den Diagrammen von 2 bis 4 wird jeder Block von 4 KB durch seine jeweilige physische Adresse angegeben, wie beispielsweise ADR1, ADR2 und so weiter. Somit bezieht sich der Block ADR3 zum Beispiel auf den Datenblock, dessen physische Adresse in den Flash-Speichern ADR3 lautet. In den offenbarten Verfahren speichert die SSD-Steuereinheit Seiten zwischen, die aus den Flash-Speichern 34 im RAM 50 abgerufen werden. 2 to 4 Figure 12 shows diagrams schematically illustrating data caching and reading as part of speculative prefetching. That in each of 2 to 4 Diagram shown comprises three columns. The leftmost and rightmost columns refer to operations performed by the VM 29 or through the SSD control unit 30 be performed. In each diagram, the middle column represents a cached page of 16 KB, comprising four 4 KB data blocks. Each diagram also includes a plurality of rows representing a single VM operation and a corresponding SSD controller operation per row. Each graph thus represents a sequence of VM operations that are performed over time. In the diagrams of 2 to 4 For example, each 4KB block is indicated by its respective physical address, such as ADR1, ADR2, and so forth. Thus, for example, the block ADR3 refers to the data block whose physical address in the flash memories is ADR3. In the disclosed methods, the SSD controller stores pages between the flash memories 34 in the RAM 50 be retrieved.

Wir nehmen nun Bezug auf 2. Im vorliegenden Beispiel nehmen wir eine Seite von 16 KB an, die vier sequenzielle Blöcke von 4 KB umfasst, deren physische Adressen mit ADR1 bis ADR4 bezeichnet sind. In der ersten Operation, namentlich READ_VM1(ADR3), fordert der VM den Block ADR3 an, gibt jedoch zusätzlich der SSD-Steuereinheit 30 eine spekulative Vorab-Hol-Operation an. Die SSD-Steuereinheit 30 reagiert, indem die Seite von 16 KB gelesen wird, in welcher der angeforderte Block in den Flash-Speichern gespeichert ist, und speichert die Seite im RAM 50 zwischen. Die zwischengespeicherte Seite umfasst die Blöcke ADR1 bis ADR4. Dann liefert die SSD-Steuereinheit 30 nur den Block ADR3 aus der zwischengespeicherten Seite an den Host 26.We now refer to 2 , In this example, we assume a page of 16KB that contains four 4K sequential blocks whose physical addresses are labeled ADR1 through ADR4. In the first operation, namely READ_VM1 (ADR3), the VM requests the block ADR3, but additionally gives the SSD control unit 30 a speculative prefetching operation. The SSD control unit 30 responds by reading the page of 16 KB in which the requested block is stored in the flash memories and stores the page in RAM 50 between. The cached page comprises the blocks ADR1 to ADR4. Then deliver the SSD control unit 30 only block ADR3 from the cached page to the host 26 ,

Als Nächstes führt der VM eine Operation READ_NO_SENSE(ADR1) aus, in welcher der VM den Block ADR1 anfordert, die angibt, den Block aus der zwischengespeichertem Seite zu lesen. Die SSD-Steuereinheit 30 reagiert, indem der zwischengespeicherte Block ADR1 gelesen und an den Host 26 geliefert wird, ohne erneut die gesamte Seite von 16 KB zu lesen. Als Nächstes führt der VM 29 gleichermaßen eine Operation READ_NO_SENSE(ADR2) aus, um die SSD-Steuereinheit 30 zu veranlassen, den zwischengespeicherten Block ADR2 zu lesen und an den Host zu liefern.Next, the VM executes an operation READ_NO_SENSE (ADR1) in which the VM requests block ADR1, which indicates to read the block from the cached page. The SSD control unit 30 responds by reading the cached block ADR1 and to the host 26 without reading the entire page of 16 KB again. Next comes the VM 29 Similarly, an operation READ_NO_SENSE (ADR2) off to the SSD control unit 30 to cause the cached block ADR2 to be read and delivered to the host.

Bei Durchführen der Operation READ_NO_SENSE(ADR5) fordert der VM den Block ADR5 an, der nicht Teil der zwischengespeicherten Blöcke ADR1 bis ADR4 ist. Als ein Ergebnis reagiert die SSD-Steuereinheit 30, indem sie dem VM ein Ereignis READ_NO_SENSE_MISS angibt. Das Fehlerereignis gibt dem VM an, dass der angeforderte Block noch nicht zwischengespeichert ist und nicht unter Verwendung der Operation READ_NO_SENSE gelesen werden kann.When performing the operation READ_NO_SENSE (ADR5), the VM requests the block ADR5, which is not part of the cached blocks ADR1 to ADR4. As a result, the SSD controller responds 30 by giving the VM an event READ_NO_SENSE_MISS. The error event indicates to the VM that the requested block is not yet cached and can not be read using the READ_NO_SENSE operation.

Wenn der VM den Block ADR4 unter Verwendung der Operation READ_NO_SENSE(ADR4) anfordert, liest die SSD-Steuereinheit 30 den zwischengespeicherten Block ADR4 und liefert ihn an den Host. Da der VM durch diese Operation ein Anfordern aller zwischengespeicherten Blöcke ADR1 bis ADR4 (nicht notwendigerweise in fortlaufender Reihenfolge) abschließt, gibt die SSD-Steuereinheit zusätzlich die zwischengespeicherte Seite frei, um ein Verwenden desselben Speicherplatzes im RAM 50 zum Zwischenspeichern anderer Seiten zu ermöglichen.When the VM requests block ADR4 using the operation READ_NO_SENSE (ADR4), the SSD controller reads 30 cached block ADR4 and delivers it to the host. In addition, since the VM completes requesting all cached blocks ADR1 through ADR4 (not necessarily in a sequential order) by this operation, the SSD control unit releases the cached page to use the same memory location in the RAM 50 to allow caching of other pages.

3 beschreibt ein weiteres Verfahren zum spekulativen Vorab-Holen. Obwohl der VM einen einzelnen Block von 4 KB anfordert, bereitet in einer Ausführungsform der VM vor, von der SSD-Steuereinheit 30 bis zur gesamten Seite von 16 KB, zu welcher der angeforderte Block gehört, entgegen zu nehmen. Im Beispiel von 3 gibt der VM 29 eine VM-Operation aus, d. h. READ_VM_TO_END(ADR7), um den Block ADR7 zu holen. Die SSD-Steuereinheit 30 reagiert, indem die Seite gelesen und zwischengespeichert wird, welche die vier aufeinander folgenden Blöcke ADR6 bis ADR9 umfasst, und liefert an den Host nur die angeforderte sowie alle darauf folgenden Blöcke (eine Operation zum Lesen bis zum Ende der Seite), d. h. ADR7 bis ADR9. Zusätzlich liefert die SSD-Steuereinheit 30 zusammen mit den Datenblöcken die Anzahl der gelieferten Blöcke und deren jeweilige logische Adressen an den VM. Auf die Lieferung der Datenblöcke folgend gibt die SSD-Steuereinheit 30 die zwischengespeicherte Seite zum Zwischenspeichern von anderen Seiten frei. Die Funktion des Lesens bis zum Ende der Seite spart redundante Anforderungen durch den VM ein, die sonst separat für einzelne Datenblöcke ausgegeben würden (typischerweise pro Block Speichererfassungs- und Leseoperationen einbeziehend), und macht daher Operationen von direktem Speicherzugriff (Direct Memory Access (DMA)) des OS effizienter. 3 describes another method of speculative prefetching. Although the VM requests a single block of 4 KB, in one embodiment, the VM prepares, from the SSD controller 30 up to the entire page of 16 KB, to which the requested block belongs. In the example of 3 gives the VM 29 a VM operation, ie READ_VM_TO_END (ADR7) to fetch block ADR7. The SSD control unit 30 responds by reading and caching the page comprising the four consecutive blocks ADR6 through ADR9, and provides to the host only the requested and all subsequent blocks (an operation to read to the end of the page), ie, ADR7 through ADR9 , Additionally provides the SSD control unit 30 together with the data blocks, the number of blocks delivered and their respective logical addresses to the VM. Following the delivery of the data blocks gives the SSD control unit 30 free the cached page for caching from other pages. The function of reading to the end of the page saves redundant requests by the VM that would otherwise be output separately for individual data blocks (typically including per-block memory acquisition and read operations), and therefore makes direct memory access (DMA) operations. ) of the OS more efficiently.

4 beschreibt noch ein weiteres Verfahren zum effizienten spekulativen Vorab-Holen. Das Verfahren ermöglicht ein Holen von Datenblöcken, die zuvor mit Ausrichtung auf die physischen Adressen von Seitengrenzen gespeichert wurden. Im Beispiel von 4 gibt die SSD-Steuereinheit 30 dem VM 29 zuerst die Seitengröße an, im vorliegenden Beispiel 16 KB. Der VM nimmt die angegebene Seitengröße zum Verwenden in nachfolgenden VM-Operationen entgegen. Dann gibt der VM 29 der SSD-Steuereinheit 30 einen Befehl WRITE_VM_ALINGED aus, um 16 KB an Daten auf Seitengrenzen ausgerichtet zu schreiben. Die SSD-Steuereinheit 30 nimmt den Befehl WRITE_VM_ALINGED entgegen und speichert die 16 KB an Daten in vier aufeinander folgende Blöcke, sodass die physische Adresse des ersten Blocks mit der physischen Adresse einer vollständigen Seite übereinstimmt. Im Beispiel von 4 werden die vier zu schreibenden Blöcke (der 16 KB an Daten) in einer Seite gespeichert, deren Adresse ADR6 lautet. Da der VM die logischen Adressen jeglicher Daten kennt, die auf Seitengrenzen ausgerichtet geschrieben wurden, kann der VM später diese Daten als vollständige Seiten spekulativ lesen. 4 describes yet another method for efficient speculative prefetching. The method allows fetching data blocks previously stored with alignment to the physical addresses of page boundaries. In the example of 4 gives the SSD control unit 30 the VM 29 first the page size, in this example 16 KB. The VM accepts the specified page size for use in subsequent VM operations. Then the VM gives 29 the SSD control unit 30 issue a WRITE_VM_ALINGED command to write 16 KB of page boundary data. The SSD control unit 30 takes the WRITE_VM_ALINGED command and stores the 16 KB of data in four consecutive blocks so that the physical address of the first block matches the physical address of a complete page. In the example of 4 The four blocks to be written (the 16 KB of data) are stored in a page whose address is ADR6. Since the VM knows the logical addresses of any data written on page boundaries, the VM can later speculate that data as complete pages.

Zu einer späteren Gelegenheit führt der VM eine Operation READ_VM_TO_END(ADR6) durch, um die Seite anzufordern, welche die Blöcke ADR6 = ADR9 speichert. Die SSD-Steuereinheit 30 reagiert auf diesen Befehl, indem die gesamte entsprechende Seite zwischengespeichert wird, die vier Blöcke ADR6 bis ADR9 an den Host geliefert werden und die zwischengespeicherte Seite freigegeben wird.At a later time, the VM performs an operation READ_VM_TO_END (ADR6) to request the page storing blocks ADR6 = ADR9. The SSD control unit 30 responds to this command by caching the entire corresponding page, delivering the four blocks ADR6 through ADR9 to the host, and releasing the cached page.

In manchen Ausführungsformen wendet die SSD-Steuereinheit einen Blockverdichtungsprozess an, der auch als „Garbage Collection” (GC) bezeichnet wird. In diesem Prozess kopiert die SSD-Steuereinheit gültige Daten aus teilweise gültigen Quellblöcken in einen oder mehrere Zielblöcke. Da bei GC typischerweise gesamte Blöcke oder Seiten kopiert werden, behalten Daten, die auf Seitengrenzen ausgerichtet geschrieben wurden, wie vorstehend beschrieben, ihre Ausrichtung bei, selbst nachdem sie durch den GC-Prozess kopiert wurden.In some embodiments, the SSD controller employs a block compression process, also referred to as garbage collection (GC). In this process, the SSD controller copies valid data from partially valid source blocks into one or more destination blocks. Since GC typically copies entire blocks or pages, data written aligned on page boundaries, as described above, maintains alignment even after being copied by the GC process.

5 zeigt einen Ablaufplan, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch ein Verfahren zum spekulativen Vorab-Holen veranschaulicht, indem die Daten anfänglich auf Seitengrenzen ausgerichtet gespeichert werden. Das Verfahren wird durch die SSD-Steuereinheit 30 ausgeführt und beginnt in einen Angabeschritt 100, indem die SSD-Steuereinheit 30 dem VM 29 die Seitengröße der Flash-Speicher 34 angibt. Im Beispiel von 5 beträgt die Seitengröße 16 KB. Wie hierin beschrieben, verwendet der VM 29 die angegebene Seitengröße, um Datenblöcke auf Seitengrenzen ausgerichtet zu schreiben, was ein effizientes spekulatives Vorab-Holen dieser Daten ermöglicht. 5 FIG. 10 is a flowchart that schematically illustrates a speculative prefetching method according to an embodiment of the present invention by initially storing the data aligned on page boundaries. The procedure is controlled by the SSD control unit 30 executed and starts in an indication step 100 by the SSD control unit 30 the VM 29 the page size of the flash memory 34 indicates. In the example of 5 the page size is 16 KB. As described herein, the VM uses 29 the specified page size to write blocks of data aligned to page boundaries, allowing for efficient speculative prefetching of this data.

In einem Befehlsempfangsschritt 104 nimmt die SSD-Steuereinheit 30 vom VM 16 KB an Daten, die unter Verwendung des (vorstehend beschriebenen) Befehls WRITE_VM_ALIGNMENT zu speichern sind. In einem Ausgerichtetspeichern-Schritt 108 wählt die SSD-Steuereinheit 30 eine entsprechende Seite in den Flash-Speichern 34 aus und speichert die vier Blöcke von 4 KB, welche die 16 KB an Daten umfassen, auf die Grenzen der ausgewählten Seite ausgerichtet. Der VM 29 verfolgt die logischen Adressen der Datenseiten von 16 KB, die auf physische Seitengrenzen ausgerichtet gespeichert werden. In einem Spekulativlesebefehlsempfangs-Schritt 112 nimmt die SSD-Steuereinheit 30 vom VM 29 eine Anforderung entgegen, die gesamte Seite, die in Schritt 108 gespeichert wurde, spekulativ zu lesen.In a command receiving step 104 takes the SSD control unit 30 from the VM 16 KB to data to be stored using the WRITE_VM_ALIGNMENT command (described above). In an outlier save step 108 selects the SSD control unit 30 a corresponding page in the flash memory 34 and stores the four blocks of 4 KB that contain the 16 KB of data, aligned to the boundaries of the selected page. The VM 29 tracks the logical addresses of 16K data pages that are stored aligned to physical page boundaries. In a speculative read command receiving step 112 takes the SSD control unit 30 from the VM 29 a request against, the entire page in step 108 was stored speculatively.

In Schritt 116 übersetzt die SSD-Steuereinheit 30 die logische Adresse der angeforderten Seite in eine entsprechende physische Adresse, liest die Seitendaten und speichert die Seite im RAM 50 zwischen. In Schritt 116 kann der VM zum Beispiel die (vorstehend beschriebene) Operation READ_VM_TO_END oder eine dedizierte andere VM-Operation verwenden, welche die gesamte zwischengespeicherte Seite an den Host liefert. Die SSD-Steuereinheit liefert dann in einem Seitenlieferungsschritt 120 die 16 KB der zwischengespeicherten Seite über die Host-Schnittstelle 38 an den VM 29. Ferner gibt in Schritt 120 die SSD-Steuereinheit die zwischengespeicherte Seite im RAM 50 frei, um eine Wiederverwendung desselben Speicherplatzes zum Zwischenspeichern weiterer Seiten zu ermöglichen.In step 116 translates the SSD control unit 30 the logical address of the requested page into a corresponding physical address, reads the page data and stores the page in RAM 50 between. In step 116 For example, the VM may use the READ_VM_TO_END operation (described above) or a dedicated other VM operation that provides the entire cached page to the host. The SSD controller then provides in a page delivery step 120 the 16 KB of the cached page through the host interface 38 to the VM 29 , Further, in step 120 the SSD controller caches the cached page in RAM 50 Free to allow reuse of the same storage space for caching additional pages.

Schneller AnwendungsstartFast application start

Ein Anwendungsprogramm greift oft auf eine große Anzahl relativ kleiner Dateien zu, die das FS 28 in den Flash-Speichern 34 speichert, wenn die Anwendung installiert wird. Die Anwendungsdateien können ausführbare Dateien, Bitmap-Dateien, Multimediadateien und Ähnliches umfassen. Wenn das OS 26 eine Anwendung startet, lädt das FS 28 in manchen Ausführungsformen die Dateien der Anwendung von entsprechenden Orten in den Flash-Speichern 34 in den Host-Speicher 32 zum Ausführen hoch. Das FS 28 lädt die Anwendungsdateien hoch, indem an die SSD-Steuereinheit 30 eine Mehrzahl entsprechender Lesebefehle gesendet werden. Die Dauer, die benötigt wird, um die Anwendungsdateien zu starten, sollte kurz sein, sodass der Benutzer unter einer minimalen Verzögerung leidet, bevor er die Anwendung verwenden kann.An application program often accesses a large number of relatively small files, which is the FS 28 in the flash memory 34 stores when the application is installed. The application files may include executable files, bitmap files, multimedia files, and the like. If the OS 26 an application starts loading the FS 28 in some embodiments, the files of the application of corresponding locations in the flash memories 34 in the host memory 32 to run high. The FS 28 uploads the application files by going to the SSD control unit 30 a plurality of corresponding read commands are sent. The amount of time needed to start the application files should be short so that the user suffers from a minimal delay before he can use the application.

Verschiedene Verfahren zum Beschleunigen der Startdauer von Anwendungen sind im Stand der Technik bekannt. Beispielverfahren sind durch Yongsoo et al. in „FAST: quick application launch on solid-state drives”, Proceedings of the 9th USENIX conference on File and Storage Technologies, Seiten 259 bis 272, 15. bis 17. Februar 2011, San Jose, USA, beschrieben, was durch Bezugnahme hierein aufgenommen wird.Various methods for accelerating the startup time of applications are known in the art. Example methods are described by Yongsoo et al. in "FAST: quick application launch on solid state drives", Proceedings of the 9th USENIX on February 25-17, 2011, San Jose, USA, which is incorporated herein by reference.

In manchen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, verwendet das FS 28 spekulatives Vorab-Holen, um die Dauer des Startens von Anwendungen zu verringern. Zum Beispiel kann das FS 28 spekulative Vorab-Hol-Verfahren verwenden, wie vorstehend in den 2 bis 4 beschrieben.In some embodiments described herein, the FS uses 28 speculative prefetching to reduce the duration of launching applications. For example, the FS 28 Use speculative prefetch methods as described in the above 2 to 4 described.

In einer Beispielausführungsform werden die Anwendungsdateien aufeinander folgend in einem zusammenhängenden Bereich physischer Adressen in einem der Flash-Speicher gespeichert. Bei Empfangen von Identifikationen der Anwendungsdateien vom OS 27 wäre es für das FS 28 möglich gewesen, jede der Anwendungsdateien separat mit deaktiviertem spekulativem Vorab-Holen aus dem Flash-Speicher zu lesen. Dies würde jedoch zu redundanten Leseoperationen im Flash-Speicher und daher mit einer langen Startdauer führen, insbesondere wenn die Größe der Dateien in der Größenordnung der Blockgröße (z. B. 4 KB) oder weniger liegt.In one example embodiment, the application files are sequentially stored in a contiguous range of physical addresses in one of the flash memories. When receiving identifications of the application files from the OS 27 it would be for the FS 28 you have been able to read each of the application files separately from Flash memory with speculative prefetching turned off. However, this would lead to redundant read operations in the flash memory and therefore with a long startup time, especially if the size of the files is on the order of the block size (eg 4 KB) or less.

In einer offenbarten Ausführungsform weist das OS 27 zusätzlich zum Bereitstellen der Identifikation der Anwendungsdateien das FS 28 darauf hin, dass die Dateien gemeinsam zu einem Anwendungsprogramm gehören. Bei Empfangen dieses Hinweises wechselt das FS 28 automatisch in dem Modus spekulativen Vorab-Holens, in dem das FS 28 spekulatives Vorab-Holen, wie beispielsweise vorstehend in Bezug auf 2 bis 4 beschrieben, verwendet, um mehrere Blöcke von 4 KB effizient zu lesen.In a disclosed embodiment, the OS 27 in addition to providing the identification of the application files the FS 28 indicates that the files belong together to an application program. Upon receiving this note, the FS will change 28 automatically in the mode speculative prefetching, in which the FS 28 speculative prefetching, such as described above with respect to 2 to 4 described, used to efficiently read multiple blocks of 4 KB.

6 zeigt einen Ablaufplan, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch ein Verfahren zum Verringern der Startdauer von Anwendungen veranschaulicht. Das Verfahren wird durch die SSD-Steuereinheit 30 ausgeführt und beginnt in einem Startbeginnhinweis-Schritt 200, indem die SSD-Steuereinheit eine Angabe oder einen Hinweis vom OS 27 entgegennimmt, dass ein Anwendungsstartprozess begonnen wurde. Während in einem Überwachungsschritt 204 das FS 28 die Anwendungsdateien liest, überwacht die SSD-Steuereinheit 30 die logischen und entsprechenden physischen Adressen der Lesedaten der hochgeladenen Dateien und hält sie fest. 6 FIG. 12 is a flowchart that schematically illustrates a method for reducing the startup duration of applications in accordance with an embodiment of the present invention. The procedure is controlled by the SSD control unit 30 is executed and starts in a start-start hint step 200 by giving the SSD control unit an indication or a hint from the OS 27 that an application startup process has begun. While in a monitoring step 204 the FS 28 the application files reads, monitors the SSD control unit 30 The logical and corresponding physical addresses of the read data of the uploaded files and holds them.

In einem Startbeendigungsangabe-Schritt 208 nimmt die SSD-Steuereinheit 30 vom OS 27 einen Hinweis entgegen, dass das FS 28 das Hochladen der Anwendungsdateien abgeschlossen hat, und die SSD-Steuereinheit 30 stoppt dementsprechend das Festhalten, das in Schritt 204 ausgeführt wurde. Die SSD-Steuereinheit ordnet dann in einem Defragmentierungsschritt 212 die Anwendungsdateien so neu, dass sie einen zusammenhängenden Bereich physischer Adressen belegen. Auf Schritt 212 folgend endet das Verfahren. Die Defragmentierung der Anwendungsdateien zu einem zusammenhängenden physischen Raum macht nachfolgende Starts dieser Anwendung effizienter (z. B. unter Verwendung von spekulativem Vorab-Holen) und verbessert daher aufgrund einer kürzeren Startdauer die Benutzererfahrung.In a start completion step 208 takes the SSD control unit 30 from the OS 27 an indication that the FS 28 completed the upload of the application files, and the SSD control unit 30 accordingly, the sticking stops in step 204 was executed. The SSD control unit then arranges in a defragmentation step 212 redesign the application files to occupy a contiguous range of physical addresses. On step 212 Following the procedure ends. Defragmenting the application files into a contiguous physical space makes subsequent launches of that application more efficient (eg, using speculative prefetching) and therefore improves the user experience due to shorter startup time.

In alternativen Ausführungsformen weist das OS 27 das FS 28 (anstelle der SSD-Steuereinheit 30 wie in Verfahren von 6) daraufhin, ein Festhalten der logischen Adressen der Anwendungsdateien bei Initiierung eines Anwendungsstarts zu beginnen und das Festhalten zu stoppen, wenn der Anwendungsstart endet. In solchen Ausführungsformen gibt das FS 28 auf die Startbeendigung folgend einen dedizierten Defragmentierungsbefehl an die SSD-Steuereinheit 30 aus. Im Defragmentierungsbefehl nimmt die SSD-Steuereinheit 30 vom FS 28 die logischen Adressen der Anwendungsdateien entgegen. Die SSD-Steuereinheit führt dann eine Defragmentierung aus, indem die Anwendungsdateien in einem zusammenhängenden Bereich physischer Adressen neu geordnet werden.In alternative embodiments, the OS 27 the FS 28 (instead of the SSD control unit 30 as in procedures of 6 ) to begin holding the logical addresses of the application files upon initiation of an application start and to stop the capture when the application start ends. In such embodiments, the FS 28 following the startup completion, a dedicated defragmentation command to the SSD controller 30 out. In defragmentation command takes the SSD control unit 30 from the FS 28 the logical addresses of the application files. The SSD controller then performs defragmentation by reordering the application files into a contiguous range of physical addresses.

Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren handelt es sich um beispielhafte Verfahren, und andere Verfahren können in alternativen Ausführungsformen verwendet werden. Obwohl zum Beispiel in allen vorstehend beschriebenen Verfahren die Datenblock- und Seitengrößen 4 KB bzw. 16 KB betragen, können auch beliebige andere Größen verwendet werden.The methods described above are exemplary methods, and other methods may be used in alternative embodiments. For example, although the data block and page sizes are 4 KB and 16 KB, respectively, in all the methods described above, any other sizes may be used.

Obwohl typischerweise der VM und das FS dieselbe Datenblockgröße teilen, können als ein weiteres Beispiel in alternativen Ausführungsformen die vorstehend beschriebenen Verfahren so angewendet werden, dass der VM und das FS Datenblöcke unterschiedlicher Größen holen (beide Größen sind kleiner als die Seitengröße). Alternativ oder zusätzlich dazu kann der VM (oder das FS) unterschiedliche Blockgrößen für unterschiedliche Prozesse oder Anwendungen verwenden.Although typically the VM and the FS share the same data block size, as another example in alternative embodiments, the methods described above may be applied such that the VM and FS fetch data blocks of different sizes (both sizes are smaller than the page size). Alternatively or additionally, the VM (or FS) may use different block sizes for different processes or applications.

Die offenbarten Verfahren sind nicht nur auf SSD-gestützte Datenspeichersysteme anwendbar, sondern auf jegliche Datenspeichersysteme, in denen für jedes Holen eines fehlenden Datenblocks durch den VM (oder das FS) eine Seite, deren Größe größer als die Blockgröße ist, aus dem zugrunde liegenden Speicher abgerufen wird.The disclosed methods are applicable not only to SSD-based data storage systems, but to any data storage systems in which, for each fetch of a missing data block by the VM (or FS), a page whose size is larger than the block size is from the underlying memory is retrieved.

Obwohl die hierin beschriebenen Ausführungsformen hauptsächlich einen mit Speichervorrichtungen kommunizierenden Host-Prozessor in einem SSD-gestützten Datenspeichersystem ansprechen, können die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme auch in anderen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise in jedem System, in dem ein Host konfiguriert ist, Daten in Blöcken zu speichern, die kleiner als die durch die zugrunde liegende Datenspeichervorrichtung verwendete Datenspeichereinheit sind.Although the embodiments described herein primarily address a memory device communicating host processor in an SSD-based data storage system, the methods and systems described herein may also be used in other applications, such as in any system in which a host is configured to store data in Storing blocks that are smaller than the data storage unit used by the underlying data storage device.

Es wird daher ersichtlich sein, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in beispielhafter Weise angeführt werden, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschränkt ist, was hierin vorstehend im Einzelnen gezeigt und beschrieben worden ist. Vielmehr schließt der Umfang der vorliegenden Erfindung sowohl Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen hierin vorstehend beschriebenen Merkmale als auch Variationen und Modifikationen davon ein, die dem Fachmann beim Lesen der vorhergehenden Beschreibung einfallen, und die im Stand der Technik nicht offenbart sind. Dokumente, die durch Bezugnahme in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen werden, sind als ein integraler Teil der Anmeldung anzusehen, außer dass in dem Ausmaß, in dem jegliche Begriffe in diesen aufgenommenen Dokumenten in einer Weise definiert sind, die mit den explizit oder implizit in der vorliegenden Patentschrift erfolgten Definitionen in Konflikt steht, nur die Definitionen in der vorliegenden Patentschrift berücksichtigt werden sollen.It will therefore be understood that the above-described embodiments are presented by way of example, and that the present invention is not limited to what has been shown and described in detail hereinabove. Rather, the scope of the present invention includes both combinations and sub-combinations of the various features described hereinabove, as well as variations and modifications thereof which occur to those skilled in the art upon reading the foregoing description, and which are not disclosed in the prior art. Documents incorporated by reference into the present application are to be considered as an integral part of the application, except to the extent that any terms in these incorporated documents are defined in a manner consistent with those expressed or implied in the present application Patent definitions are conflicting, only the definitions in the present specification are to be considered.

Claims (17)

Verfahren zur Datenspeicherung, Folgendes umfassend: Festhalten einer Definition eines Modus spekulativen Auslesens zum Auslesen in einer Datenspeichervorrichtung, in dem von der Datenspeichervorrichtung angefordert wird, eine Dateneinheit mit einer Dateneinheitgröße zu lesen, und als Reaktion die Datenspeichervorrichtung eine Datenspeicherseite abruft, welche die Dateneinheit enthält und eine größere Datenspeicherseitengröße als die Dateneinheitgröße besitzt, und die Datenspeicherseite in Vorbereitung für nachfolgende Anforderungen aufbewahrt; Koordinieren einer Aktivierung des Modus spekulativen Auslesens; und Ausführen eines Auslesebefehls unter Verwendung des Modus spekulativen Auslesens.A method of data storage comprising: Maintaining a definition of a speculative read-out mode for reading in a data storage device, requesting the data storage device to read a data unit having a data unit size, and in response, the data storage device retrieving a data storage page containing the data unit and having a data storage page size larger than the data unit size , and the data store page kept in preparation for subsequent requests; Coordinating activation of the speculative readout mode; and Execute a read command using the speculative readout mode. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Koordinieren der Aktivierung ein Empfangen eines Befehls, eine einzelne Dateneinheit auszulesen, in der Datenspeichervorrichtung umfasst, und wobei das Ausführen des Auslesebefehls ein Lesen der einzelnen Dateneinheit aus der aufbewahrten Datenspeicherseite umfasst.The method of claim 1, wherein coordinating the activation comprises receiving a command to read a single data unit in the data storage device, and wherein executing the read command comprises reading the individual data unit from the retained data storage page. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausführen des Auslesebefehls bei Erfassen, dass sich die einzelne Dateneinheit nicht in der aufbewahrten Datenspeicherseite befindet, ein Berichten eines Fehlerereignisses umfasst.The method of claim 2, wherein executing the read-out command upon detecting that the single data unit is not in the retained data storage page comprises reporting an error event. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausführen des Auslesebefehls ferner ein Verwerfen der aufbewahrten Datenspeicherseite umfasst, nachdem alle Dateneinheiten in der aufbewahrten Datenspeicherseite angefordert wurden.The method of claim 2, wherein executing the read command further comprises discarding the retained data storage page after all data units in the retained data storage page have been requested. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen des Auslesebefehls ein Empfangen einer Anforderung, eine gegebene Dateneinheit in der aufbewahrten Datenspeicherseite zu lesen, und ein Ausgeben der gegebenen Dateneinheit und aller darauf folgenden Dateneinheiten aus der aufbewahrten Datenspeicherseite in der Datenspeichervorrichtung umfasst.The method of claim 1, wherein executing the read command comprises receiving a request to read a given data unit in the stored data storage page and outputting the given data unit and all subsequent data units from the stored data storage page in the data storage device. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Koordinieren der Aktivierung ein Berichten der Datenspeicherseitengröße von der Datenspeichervorrichtung umfasst.The method of claim 1, wherein coordinating the activation comprises reporting the data storage page size from the data storage device. Verfahren nach Anspruch 1, und ein Empfangen eines Schreibbefehls zum Speichern von Daten, deren Größe gleich der Datenspeicherseitengröße ist, und ein Speichern der Daten auf eine Seitengrenze der Datenspeichervorrichtung ausgerichtet in der Datenspeichervorrichtung umfassend.The method of claim 1, and receiving a write command to store data sized equal to the data storage page size and storing the data on a page boundary of the data storage device aligned in the data storage device. Datenspeichervorrichtung, Folgendes umfassend: einen nichtflüchtigen Speicher; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, eine Definition eines Modus spekulativen Auslesens festzuhalten, in dem von der Datenspeichervorrichtung angefordert wird, eine Dateneinheit mit einer Dateneinheitgröße zu lesen, und als Reaktion die Datenspeichereinheit aus dem nichtflüchtigen Speicher eine Datenspeicherseite abruft, welche die Dateneinheit enthält und eine größere Datenspeicherseitengröße als die Dateneinheitgröße besitzt, und die Datenspeicherseite für nachfolgende Anforderungen in Vorbereitung aufbewahrt, um eine Aktivierung des Modus spekulativen Auslesens zu koordinieren, und um unter Verwendung des Modus spekulativen Auslesens einen Auslesebefehl auszuführen.A data storage device comprising: a non-volatile memory; and a processor configured to capture a definition of a speculative read mode in which the data storage device requests to read a data unit having a data unit size, and in response, the data storage unit retrieves from the nonvolatile memory a data storage page containing the data unit; has larger data storage page size than the data unit size and keeps the data storage page in preparation for subsequent requests to coordinate activation of the speculative readout mode and to execute a readout command using the speculative readout mode. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Prozessor konfiguriert ist, einen Befehl, eine einzelne Dateneinheit auszulesen, zu empfangen und den Auslesebefehl auszuführen, indem die einzelne Dateneinheit aus der aufbewahrten Datenspeicherseite gelesen wird.The data storage device of claim 8, wherein the processor is configured to receive a command to read, receive, and execute the read-out command by reading the single data unit from the retained data storage page. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Prozessor konfiguriert ist, bei Erfassen, dass sich die einzelne Dateneinheit nicht in der aufbewahrten Datenspeicherseite befindet, ein Fehlerereignis zu berichten. The data storage device of claim 9, wherein the processor is configured, upon detecting that the single data unit is not in the retained data storage page, to report an error event. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Prozessor ferner konfiguriert ist, die aufbewahrte Datenspeicherseite zu verwerfen, nachdem alle Dateneinheiten in der aufbewahrten Datenspeicherseite angefordert wurden.The data storage device of claim 9, wherein the processor is further configured to discard the retained data storage page after all data units in the retained data storage page have been requested. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Prozessor konfiguriert ist, eine Anforderung zu empfangen, eine gegebene Dateneinheit in der aufbewahrten Datenspeicherseite zu lesen, und die gegebene Dateneinheit und alle darauf folgenden Dateneinheiten aus der aufbewahrten Datenspeicherseite auszugeben.The data storage device of claim 8, wherein the processor is configured to receive a request to read a given data unit in the stored data storage page, and to output the given data unit and all subsequent data units from the stored data storage page. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Prozessor konfiguriert ist, die Datenspeicherseitengröße zu berichten.The data storage device of claim 8, wherein the processor is configured to report the data storage page size. Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Prozessor konfiguriert ist, einen Schreibbefehl zum Speichern von Daten, deren Größe gleich der Datenspeicherseitengröße ist, zu empfangen und die Daten auf eine Seitengrenze der Datenspeichervorrichtung ausgerichtet zu speichern.The data storage device of claim 8, wherein the processor is configured to receive a write command to store data sized equal to the data storage page size and to store the data aligned with a page boundary of the data storage device. Einrichtung, Folgendes umfassend: einen Host, der konfiguriert ist, ein Betriebssystem auszuführen; eine Datenspeichervorrichtung; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, vom Betriebssystem einen Hinweis zu empfangen, der angibt, dass eine Vielzahl von an die Datenspeichervorrichtung auszugebenden Lesebefehlen einem Start einer durch das Betriebssystem auszuführenden Anwendung zugeordnet ist, und die Vielzahl der Lesebefehl als Reaktion auf den Hinweis gemeinsam auszuführen.Device comprising: a host configured to execute an operating system; a data storage device; and a processor configured to receive an indication from the operating system indicating that a plurality of read commands to be issued to the data storage device are associated with a start of an application to be executed by the operating system and to jointly execute the plurality of read commands in response to the hint. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei der Prozessor konfiguriert ist, die Vielzahl der Lesebefehle unter Verwendung von spekulativem Vorab-Holen auszuführen.The device of claim 15, wherein the processor is configured to execute the plurality of read commands using speculative prefetching. Einrichtung nach Anspruch 16, wobei der Prozessor konfiguriert ist, Daten, die durch die Vielzahl der Lesebefehle gelesen wurden, in einem zusammenhängenden Bereich physischer Adressen in der Datenspeichervorrichtung neu zu ordnen.The device of claim 16, wherein the processor is configured to reorder data read by the plurality of read commands in a contiguous range of physical addresses in the data storage device.
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